Почему вода принимает форму капли

Почему капля воды имеет форму шара

Образование капли

Мы привыкли к мысли о том, что капля имеет форму шара. На самом деле она почти никогда не является шаром, хотя эта форма обеспечивает наименьший объем.

Капля, покоящаяся на горизонтальной поверхности сплющена. Сложную форму имеет падающая в воздухе капля. И только капля, находящаяся в состоянии невесомости принимает сферическую форму.

В Большой Советской энциклопедии приведены мгновенные фотографии падающих капель дождя. В частности, капля диаметром 6 мм имеет форму, близкую к форме шляпки гриба; капли меньшего диаметра имеют форму, близкую к шару.

Образование капли может быть описано тремя характерными состояниями. Состояние А соответствует началу образования капли: поверхность жидкости у конца трубки горизонтальна, радиус её кривизны очень велик, силы поверхностного натяжения направлены перпендикулярно стенке трубки и не препятствуют вытеканию жидкости. Через короткое время капля переходит в состояние Б, которое характеризуется наибольшей лапласовской силой, которая замедляет скорость образования капли, а следовательно, и скорость вытекания. В этом состоянии радиус кривизны поверхности r. Затем объём капли увеличивается, она переходит в состояние В, которое характеризует основной этап формирования капли: лапласовская сила велика, но меньше, чем в состоянии Б, и в дальнейшем ещё убывает с увеличением радиуса капли; время накопления необходимой для отрыва массы велико по сравнению со временем перехода из состояния А в состояние Б, скорость вытекания ещё уменьшается.

Радиус капли

Падение капли дождя, в силу относительности механического движения, можно, в первом приближении, заменить парением капли в восходящем потоке воздуха.

Мы повторили эксперимент, описанный в журнале . Капли помещали в воздушную струю посредством медицинского шприца. Для этого конец иглы помещали в струю воздуха, и, медленно выдавливая из шприца воду, получали капли различного объема. Капли, за счет смачивания, могут некоторое время удерживаться на игле. В этот момент уже можно хорошо пронаблюдать форму капель. Спустя некоторое время капля срывается с кончика иглы и на несколько секунд зависает в воздухе. Это время оказывается достаточным для того, чтобы рассмотреть формы капель различного размера или сфотографировать их.

В ходе проведенного исследования выяснилось, что капли малого диаметра действительно имеют форму, близкую к шару, а капли большего диаметра — форму, напоминающую шляпку гриба.

Наблюдение распада капли в кольцо и взаимодействия колец

Мы решили провести наблюдение распада капли в кольцо, чтобы удостовериться в справедливости представленных авторами данных о поведении капли чернил на поверхности и внутри воды. При проведении эксперимента нами зафиксировано, что более плотная жидкость стремится вниз по законам, которые описываются неустойчивостью Рэлея-Тейлора, с образованием вихрей.

Для этого мы использовали прозрачный стеклянный сосуд, который наполняли водой. Подбирали капилляры различных диаметров и, получали тем самым, капли различных радиусов.

Характер поведения чернильной капли зависит от нескольких параметров: если жидкость имеет высокую плотность, например, раствор поваренной соли, или капля падает с большой высоты и ударяется о поверхность жидкости с большой скоростью, то она разбивается на части и глубоко в жидкость не проникает. Но если плотность жидкости немного меньше, чем у чернил, и капля падает с высоты в несколько сантиметров, то с ней происходят интересные превращения.

Если осторожно поднести каплю чернил к самой поверхности и коснуться ее, то капля будет моментально втянута в воду и начнет с большой скоростью двигаться вниз. Эту скорость капля приобретает под действием взаимного притяжения молекул жидкости. Возникающие при этом силы называются силами поверхностного натяжения потому, что они всегда стремятся уменьшить свободную поверхность жидкости, втягивая ее внутрь и выравнивая любую неровность на ней.

Сначала чернильная капля с большой скоростью погружается в воду, но затем движение ее замедляется. Причиной такого движения является архимедова сила, почти уравновешивающая силу тяжести, и сила трения между каплей и неподвижной водой. Поскольку сила трения действует лишь на внешнюю поверхность капли, то, пройдя несколько сантиметров, капля превращается во вращающееся кольцо.

Механизм образования вихревого кольца довольно прост: боковая поверхность капли тормозится о неподвижную воду и начинает отставать от внутренней части. Место провалившейся серединки занимает чистая вода.

Кольцо недолго остается идеально круглым: его вращение замедляется, и на нем появляются вздутия и впадины. Это явление называется неустойчивостью Рэлея — Тейлора, которое заключается в том, что слой тяжелой жидкости , лежащий на слое более легкой жидкости , может пребывать в равновесии, но равновесие это будет неустойчивым. Стоит поверхности раздела жидкостей немного искривиться, как тяжелая жидкость устремится во впадины, а легкая начнет всплывать, усиливая вздутия. Это совершенно естественно: жидкости стремятся занять положение устойчивого равновесия, когда легкая находится наверху, а тяжелая — внизу.

Движение струи в неподвижной жидкости во многом напоминает движение отдельной капли: под действием вязких сил, на конце струи опять — таки образуется вихревое кольцо, которое через несколько секунд под — действием рэлей-тейлоровской неустойчивости само породит 2-3 струи. Такой процесс «почкования» повторяется несколько раз, пока чернила не достигнут дна банки, оставляя за собой след.

При изучении взаимодействия вихревых колец, в тот момент, когда они оказываются на одной высоте, то начинают взаимодействовать друг с другом. Возможны три случая.

Первый случай – второе кольцо обгоняет первое, не задевая его. При этом происходит следующее. Во-первых, потоки воды от обоих колец как бы отталкивают кольца друг от друга. Во-вторых, обнаруживается переток чернил с первого кольца на второе: водяные потоки второго кольца более интенсивны, они и увлекают чернила за собой. Иногда часть этих чернил проходит через второе кольцо, что влечет за собой образование нового небольшого кольца. Затем кольца начинают делиться, дальше ничего интересного нам заметить не удалось.

Второй случай – второе кольцо при обгоне задевает первое. В результате более интенсивные потоки второго кольца разрушают первое. Как правило, из оставшегося от первого кольца сгустка чернил образуются новые маленькие вихри.

Третий случай — кольца испытывают центральное соударение. При этом второе кольцо проходит через первое и уменьшается в размерах, а первое, наоборот, расширяется. Как и в предыдущих случаях, это происходит за счет взаимного действия водяных потоков одного кольца на другое. В дальнейшем кольца начинают делиться.

Источник

Почему на стекле остаются капли? Фото и видео

Как вы думаете, что общего между капельками воды, прилипшими к стеклу, насекомыми, ходящими по воде, и сосульками, свисающими зимой с карниза вашего дома? Подобно людям в толпе, молекулы жидкости, а значит и воды, тесно прижимаются друг к другу, прокладывая себе дорогу.

Почему вода образует капли?

Именно это свойство позволяет жидкости заполнить все уголки и щели в емкости, куда она налита. Хотя молекулы жидкостей движутся относительно друг друга свободнее, чем молекулы твердых тел, но все же они не абсолютно свободны, а притягиваются друг к другу. Молекулы воды связаны между собой не столь сильно, как например, молекулы меда. Поэтому мед не так текуч, как вода, а является плотной, густой, сиропообразной жидкостью. Если к воде добавить мыло, то поверхностное натяжение воды уменьшается.

Взаимное притяжение и поверхность

Так как молекулы жидкости испытывают взаимное притяжение, то жидкости так же, как и твердые тела, образуют поверхности. В противоположность этому молекулы газа, не испытывая взаимного притяжения, разлетаются во всех направлениях. Сила притяжения, которая удерживает молекулы воды вместе на ее поверхности, называется поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение — это та сила, которая позволяет некоторым насекомым ходить по воде как по земле, не замочив лапок.

Их тела очень легки и поверхностное натяжение удерживает таких насекомых на поверхности, не давая им погрузиться в воду. Поверхностное натяжение придает маленьким порциям воды форму круглых капель. Молекулы воды притягиваются друг к другу, но не испытывают притяжения со стороны молекул окружающего воздуха. Поэтому маленькие «кусочки» воды образуют капли шаровидной формы.

Почему образуются капли на стекле?

Когда вы выпиваете, стакан воды, оставшиеся капли прилипают к стенкам стакана и не вытекают, даже если стакан остается длительное время перевернутым, потому что молекулы воды не притягиваются молекулами воздуха, но зато очень хорошо притягиваются молекулами стекла. Крупные капли, в конце концов, под действием силы тяжести стекают вниз. Но маленькие и легкие капли упрямо остаются на месте. Молекулы стекла держат молекулы воды в своих сильных электрических объятиях.

Действительно, их взаимное притяжение так велико, что вода в мокром стакане часто распределяется тонким слоем по поверхности стекла, не образуя капель. Если попытаться эту воду стряхнуть, то она стечет до края стакана и задержится там, не в силах расстаться со своим любимым стеклом. Вода не способна прилипать только к некоторым поверхностям. Например, если плеснуть немного воды на вощеную бумагу, то вода соберется в капли и без остатка скатится с вощеной поверхности.

Есть только один способ вылить из стакана всю воду без остатка: добавить в воду немного мыла. Мыла и другие моющие средства — детергенты — уменьшают поверхностное натяжение воды. При стирке белья детергенты препятствуют смачиванию водой поверхности ткани, поэтому материя пропитывается насквозь моющим раствором. Вместе с водой внутрь ткани проникает и моющее средство. Если мыть стакан мыльной водой, то к стенкам прилипнет мало капель. Основная часть воды вместе с мылом выльется из стакана.

Поверхностное натяжение – интересное видео

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Форма дождевых капель

Автор: Маглипогода · Опубликовано 31.05.2019 · Обновлено 27.06.2021

Наверняка многие задумывались о том, какую форму принимает капля воды во время свободного падения из облака на землю. И если спросить любого человека, то он скорее всего скажет, что это форма, похожая на «слезинку». Но так ли это? Давайте разберёмся более подробно в этом вопросе.

Форма дождевых капель.

Форма дождевой капли — форма капли дождя, которую она принимает в свободном полете из облака до поверхности Земли. Мелкие капли до 2 мм близки к сфере, более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг. Теперь разберем более подробно:

Итак, выпадение капель происходит, когда маленькие капли воды в облаке сливаются в более крупные (процесс коагуляции), и не в состоянии уже противостоять гравитации, устремляются к земной поверхности. Дождевые капли имеют размеры в пределах от 0,1 до 6-7 мм — средний диаметр, при превышении которого они, как правило, распадаются. Капли менее 0,1 мм являются облачными и имеют идеально сферическую форму.

Мелкие капли до 2 мм чаще всего близки по форме к сфере (например, выпадение мороси), более крупные приобретают приплюснутую снизу форму «булочки для гамбургера», а при их увеличении до 5 мм капля нестабильна и происходит ее преобразование в вогнутую форму раскрытого парашюта или другие формы, после чего она распадается на множество мелких брызг.

Типы дождевых капель: A — несуществующий тип капель (форма капли под предметом перед падением) B — капли размером менее 2 мм (почти круглые) C — капли от 2 до 5 мм (сплющенная форма из-за трения о воздух) D — капли больше 5 мм, из-за потока воздуха разделяются на меньшие капли E — процесс деления крупной капли на несколько.

Форма капли зависит от ее размера: для маленьких капель сила поверхностного натяжения делает форму более сферической, тогда как с увеличением размера капли под действием встречного воздушного потока ее форма приобретает все более приплюснутую форму.

Поток воздуха, действующий на каплю.

Встречный поток воздуха создает внизу капли область высокого давления, а выше нее — область низкого давления, что деформирует каплю в плоскую или вогнутую (см. рисунок выше, справа).

На фото приведены фотографии падающих дождевых капель с диаметрами: а — 6 мм при скорости 8,8 м/сек; б — 4,8 мм при скорости 8,3 м/сек; в — 2,8 мм, при скорости 6,8 м/сек.

Ниже показана анимация обтекания частицы потоком (Mach=2/Re=50 «Kidney-shape»): Самые большие капли дождя на Земле были зафиксированы в Бразилии и на Маршалловых островах в 2004 году — некоторые из них достигали диаметра 10 мм. Их большой размер объясняется формированием конденсата на крупных частицах дыма или столкновением между каплями при большой их концентрации в воздухе. Кроме этого, наиболее крупные капли чаще всего формируются в процессе таяния градин.

Французские ученые Эммануэль Вильермо и Бенджамин Босса в июле 2009 г. опубликовали в журнале Nature Physics исследование разрушения крупных капель под действием встречного потока. По словам исследователя, каждая капля распадается индивидуально и независимо от их соседей на пути к земле. Таким образом, дождевая капля в процессе распада может приобрести форму раскрытого парашюта:

Фрагментация одной капли определяет распределение дождевых капель по размерам.

На следующей фотографии показаны три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 миллисекунды, полученные другими исследователями (Barros, Ana P., Olivier P. Prat, Prabhakar Shrestha, Firat Y. Testik, Larry F. Bliven, 2008). (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли:

Три различных вида последовательности распада капель с интервалами между кадрами 2 миллисекунды. (а) волокнистый (filament), (b) потоковый (sheet) и (c) дисковый распад капли

Что касается скорости падения, то для дождевых капель диаметром 0,5 мм на уровне моря и без ветра она составляет от 2 до 6,6 метров в секунду, в то время как капли диаметром 5 мм и более имеют скорость от 9 до 30 метров в секунду. Причём зависимость скорости падения от размера капли не является линейной (см. на графике):

Скорость падения капель (по оси Y) от её размера (по оси X)

Первые исследования формы дождевых капель относятся ещё к концу 1800-х гг. Немецкий ученый Филипп Ленард исследовал форму дождевых капель с 1898 г., а в 1904 г. опубликовал итоговую статью. Для изучения скорости капель он соорудил вертикальный воздушный туннель, где можно было управлять скоростью встречного воздушного потока. Он впервые сообщил, что форма капли отличается от стереотипной «слезинки» и сферична для капель примерно до 2 мм и деформируется в виде плоского дна и закругленной вершины, подобно булочке для гамбургера при увеличении капли, а при размерах свыше 5.5 мм капли нестабильны и распадаются.

Следите за погодой и климатом вместе с нами!

С Уважением, Магли погода !

Информация, которая размещается на сайте не считается официальной .
На всех страницах функционирует система уведомления п равописания . Обнаружив ошибку или неточность в тексте, выделите ее и нажмите Ctrl+Enter .

Источник